Глубокая очистка газов методом мембранного газоразделения

• Автор: Дроздов, Павел Николаевич
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 320 с. : ил.

Введение

1. Литературный обзор .

1.1. Краткая историческая справка .

1.2. Проницаемость и селективность непористых полимерных мембран.

1.3. Теоретические основы разделения газов в мембранном элементе

1.3.1. Модель полного перемешивания

1.3.2. Модель идеального вытеснения в напорном канале с поперечным током в дренажном канале
1.3.3. Модель идеального вытеснения в напорном канале с полным перемешиванием в дренажном канале
1.3.4. Модель идеального вытеснения в напорном канале с нулевым давлением в дренажном канале вакуумный режим

1.3.5. Влияние градиента концентрации на процесс разделения в мембранном элементе

1.3.5.1. Влияние концентрационной поляризации .

1.3.5.2. Влияние продольного перемешивания
1.4. Мембранные элементы и аппараты с рециркуляцией .
1.4.1. Мембранные элементы с рециркуляцией по пермеату и с рециклом по выходному потоку .
1.4.2. Многоступенчатые каскады и каскады типа непрерывная мембранная колонна
1.5. Гибридные мембранные процессы
1.5.1. Мембранные элементы с рециркуляцией и дополнительной конденсацией .
1.5.2. Аппараты, сочетающие мембранное разделение с ректификацией или с абсорбцией .
1.6. Выводы. Постановка задачи
2. Определение проницаемости и селективности газоразделительных мембран
2.1. Методика определения проницаемости газов и паров воды
2.2. Методика определения коэффициента разделения .
2.3. Результаты и обсуждение
2.3.1. Проницаемость летучих гидридов элементов 1НУ1 групп
для мембраны типа Силар
2.3.2. Проницаемость перфторированной сульфокатионитовой ионообменной мембраны .
2.3.3. Проницаемость мембраны на основе ацетата целлюлозы
2.3.4. Зависимость коэффициента разделения от концентрации примеси .
3. Глубокая очистка газов в мембранных элементах .
3.1. Обоснование необходимости использования высокоэффективных
мембранных элементов
3.1.1. Зависимость степени разделения от концентрации примеси .
3.1.2. Сравнение единичного мембранного элемента для режима идеального вытеснения и набора элементов в режиме полного перемешивания.
3.2. Глубокая очистка газов в вакуумном режиме и режиме поперечного
3.2.1. Математическая модель процесса глубокой очистки газов в радиальных и прямоугольных плоскопараллельных элементах с учетом продольного перемешивания
3.2.2. Безотборный режим работы мембранных элементов
3.2.3. Экспериментальная часть
3.2.4. Мембранные элементы с перфорированными сульфокатионитовыми ионообменными мембранами .
3.3. Глубокая очистка газов в элементах с противоточным режимом
3.3.1. Радиальные противоточные мембранные элементы .
3.3.2. Процесс глубокой очистки газов с рециклом выходного потока
4. Мембранные установки для концентрирования примесей, их сочетание
с мембранными модулями глубокой очистки газов .
4.1. Непроточные мембранные элементы .
4.2. Мембранные элементы с рециркуляцией по пермеату
4.3. Глубокая очистка газов от неконденсирующихся примесей в каскадах типа непрерывная мембранная колонна .
4.4. Глубокая очистка газов от примеси паров в каскадах типа непрерывная мембранная колонна .
5. Глубокая очистка газов комбинированным методом .
5.1. Очистка хлористого водорода от примеси постоянных газов совмещенным методом, включающим абсорбцию и первапорацию
5.2. Изучение процесса, совмещающего ректификацию и мембранное разделение .
6. Глубокая очистка германа, силана и хлористого водорода методом
мембранного газоразделения
6.1. Глубокая очистка германа, силана и хлористого водорода от взвешенных частиц
6.2. Глубокая очистка германа и силана
Выводы .
Список основных обозначений
Литература


Следует отметить, что в при изучении транспортных свойств при пониженном давлении найдено, что при низком парциальном давлении изменяется диффузионная подвижность кислорода в полимерной пленке, причем с уменьшением парциального давления подвижность кислорода увеличивается. Таким образом, можно сделать вывод о том, что в случае изучения глубокой очистки газов методом мембранного газоразделсния, в качестве одного из этапов необходимо исследование влияния концентрации примеси на селективность мембраны. При исследовании транспортных свойств полимеров необходимо использовать газы с низким содержанием примесей, в первую очередь паров воды. Также можно сделать вывод, что простых и надежных расчетных методов определения проницаемости и селективности мембран в настоящее время пока нет. Поэтому необходимо использовать экспериментальные данные, полученные на конкретных мембранах для веществ определенного состава и заданных условиях проведения процесса. Так, в случае глубокой очистки газов необходимо определение проницаемости и селективности мембраны для используемой разделяемой смеси в условиях, близких к условиям проведения процесса очистки. Разделение газов на полимерной мембране проводится в аппарате, называемом мембранным элементом рис. Исходный поток смеси поступает в элемент и движется вдоль мембраны в напорном канале. Из элемента выходят два потока из напорного канала обедненный легкопроникающим компонентом и из дренажного канала обогащенный легкопроникающим компонентом. Будем рассматривать только бинарные смеси, так как при глубокой очистке многокомпонентные смеси можно представлять как бинарные, состоящие из основного и примесного компонентов. Рис. Схема потоков в мембранном элементе а полное перемешивание, б поперечный ток, в противоток. ПВД 2 ПНД 3 мембрана. А и В сс ПАПв, или отношению величины проницаемости данных компонентов ос ЗдСЬ где С П5М. В качестве компонента А выбирают легкопроникающий через мембрану компонент. Рассмотрим ряд случаев при проведении процесса. Считается, что каждый из компонентов газовой смеси переносится через мембрану независимо друг от друга по уравнению 1. Рассмотрим случай полного перемешивания в мембранном элементе, когда концентрация смеси как в напорном, так и в дренажном каналах остается постоянной рис. Здесь Ьм поток газовой смеси через мембрану мольс с концентрацией компонента А См мольн. Р1 и Р 2 давление газовой смеси в напорной и дренажной полости, соответственно 8М толщина мембраны ЬВХ, ЬВЫХ поток смеси на входе и на выходе из напорного канала с концентрацией компонента А СВХ и СВЫХ соответственно. Уравнение 1. С1ВЫХ равняется концентрации смеси в этой полости. Разделив уравнение 1. МОДЕЛЬ ПОЛНОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ
Ьм 1 С ПвР. Эм1 свых 1 СМ5М. Из 1. Р2Р 0 или величина Р2 равняется нулю, коэффициент разделения ос равняется степени разделения на
мембране у. Так как концентрация смеси в полостях элемента вьх
постоянна, то величину См можно заменить на С2, а СВЫХ на С, где С2 и С концентрации компонента А в дренажном и напорном канале, соответственно. В реальных условиях при ненулевом давлении в ПНД степень разделения на мембране меньше, чем сс Вследствие этого можно ввести эффективный коэффициент разделения л. С помощью 1. Уравнение 1. А в потоке, проходящем через мембрану, совпадает с величиной С2. Это реализуется в случае работы мембранных элементов в режиме полного перемешивания или поперечного тока 4. В последнем случае С и С2 концентрации легкопроникающего через мембрану компонента у поверхности мембраны в какойлибо ее точке в полостях высокого и низкого давлений локальные концентрации. В этом случае в напорном канале газовая смесь движется параллельно поверхности мембраны. Случай поперечного тока характерен тем, что смесь, прошедшая через какой либо элементарный участок мембраны не перемешивается со смесью, прошедшей через соседние участки мембраны рис. Считается, что смесь в направлении, перпендикулярном поверхности мембраны распределена равномерно. Рассмотрим элементарный участок мембраны с площадью бБм, через который проходит поток 6Ь. С2с1Ь ПЛР,смС, СМ,
1 С2 1Ь ПВР, сЯм 1 С, См. Связь между концентрациями легкопроникающего компонента по обе стороны мембраны можно получить разделив 1. ЬЬ, 6С,С2 С,. Р2Р, из 1. Нейлора Беккера 5
1вых
I е .